公路橋梁預(yù)應(yīng)力加固設(shè)計分析

李滄江

（新余公路勘察設(shè)計院，江西新余 338099）

0 引言

在當(dāng)前經(jīng)濟社會不斷發(fā)展之下，交通通行量日益增多，特別是超載運輸車輛的存在，給橋梁結(jié)構(gòu)造成很大的沖擊和影響，使得橋梁結(jié)構(gòu)的運行性能嚴(yán)重下降，甚至?xí)l(fā)嚴(yán)重病害。在這種情況下，要全面落實橋梁加固工作，有效恢復(fù)橋梁性能，達到道路交通運行安全性和穩(wěn)定性的標(biāo)準(zhǔn)。在橋梁設(shè)計方案確定環(huán)節(jié)，設(shè)計人員對橋梁的運行實際情況展開全面了解，綜合分析各個運行工況，保證橋梁結(jié)構(gòu)的承載性能合格。但是在投入使用之后，長期受到車輛荷載、自然環(huán)境侵蝕等因素影響，使得橋梁結(jié)構(gòu)的運行效果產(chǎn)生嚴(yán)重影響，甚至?xí)l(fā)各項質(zhì)量問題，對橋梁的通行安全性帶來非常大的影響。所以，需要選擇合適的加固施工措施，發(fā)揮出預(yù)應(yīng)力加固結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，提高橋梁的運行水平。

1 工程概況

某公路橋梁項目結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土簡支T 梁的形式，跨徑20m，上部設(shè)計為T 梁的形式，總計有5 片結(jié)構(gòu)，翼板1.6m 寬，腹板寬0.18m。受力鋼筋直徑22mm，數(shù)量為2 根；箍筋直徑8mm，間隔14cm 設(shè)置，橋梁的周邊應(yīng)用四肢箍筋結(jié)構(gòu)，跨中應(yīng)用雙肢箍筋。經(jīng)過對橋梁運行狀況展開分析和調(diào)查，發(fā)現(xiàn)該橋梁投入運營的時間非常長，出現(xiàn)較多病害，需要組織進行加固處理才能恢復(fù)性能，以達到運行安全性的要求。技術(shù)人員展開分析，確定合適的加固方法，主梁為預(yù)應(yīng)力鋼絲繩的外包聚合物砂漿加固方式。

2 公路橋梁預(yù)應(yīng)力加固設(shè)計

2.1 高強預(yù)應(yīng)力鋼絲繩加固設(shè)計

2.1.1 原主梁加固設(shè)計計算

（1）經(jīng)過對鋼絲繩的強度、張拉控制等方面分析，計算確定應(yīng)力損失的數(shù)據(jù)，體外預(yù)應(yīng)力與錨固摩擦預(yù)應(yīng)力為23.33MPa。

（2）經(jīng)過對此次橋梁的結(jié)構(gòu)運行情況分析，發(fā)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力損失參數(shù)為852.794MPa；預(yù)應(yīng)力度取值0.35，所以通過綜合性分析后確定需要施工的鋼絲繩數(shù)量為48 根。

（3）現(xiàn)場加固施工環(huán)節(jié)，計算確定跨中正截面極限抗彎承載性能為2840.32kN·m，達到加固施工要求。此外，進行抗彎承載性能檢查，發(fā)現(xiàn)完全符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)[1-2]。

2.1.2 預(yù)應(yīng)力布置形式

腹板設(shè)置2 根高強預(yù)應(yīng)力鋼絲繩，確定橋梁張拉設(shè)計方案，以原T 梁結(jié)構(gòu)上設(shè)置固定錨塊與轉(zhuǎn)向塊，應(yīng)用高強度螺栓進行連接，并且使用砂漿進行包裹處理。底層結(jié)構(gòu)按照兩層設(shè)置，總計有48 根鋼絲繩，并做好張拉力的控制，達到張拉效果的要求。

2.1.3 端部錨具設(shè)計

按照鋼絲繩結(jié)構(gòu)的受力條件，進行錨具結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計確定，還要達到鋼絲繩的拉力標(biāo)準(zhǔn)要求。結(jié)合目前的加固施工標(biāo)準(zhǔn)，明確錨具截面尺寸，以達到結(jié)構(gòu)強度性能的標(biāo)準(zhǔn)。

2.1.4 預(yù)應(yīng)力加固有限元分析

（1）應(yīng)用有限元軟件展開數(shù)據(jù)分析，并進行預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的建模，假設(shè)現(xiàn)場處于理想條件下，不受截面尺寸、混凝土結(jié)構(gòu)偏移、新舊連接不足等問題影響，最終確定彈塑性鋼筋極限應(yīng)力值為0.01。

（2）應(yīng)用有限元方法展開預(yù)應(yīng)力鎖的模擬分析，采用等效荷載法進行，不用再考慮預(yù)應(yīng)力筋分布的狀態(tài)和條件，首先進行混凝土結(jié)構(gòu)建模，并分析體外預(yù)應(yīng)力的變化情況，建設(shè)有限元網(wǎng)格體系；選擇模型端點與轉(zhuǎn)折點，施加預(yù)應(yīng)力荷載，使鋼筋材料可以相互作用。

（3）此次工程中設(shè)計人員結(jié)合實際加固改造需要，分析有限元的參數(shù)計算結(jié)論，應(yīng)用C30、C50 混凝土結(jié)構(gòu)，總計設(shè)計有114000 個單元映射網(wǎng)格，在加固結(jié)束之后，撓度得到明顯提升，并且最大撓度處于跨中位置上。在加固實施完成之后，橋梁的結(jié)構(gòu)制作為反拱形式，最大撓度為4.979mm，在主梁跨中位置上。因此，在加固實施后，結(jié)構(gòu)的性能提升比較明顯，效果也在提升。與此同時，整個橋梁截面部位的受力狀態(tài)得到很大改善，綜合利用價值比較高[3-4]。

（4）有限元分析方法應(yīng)用后，腹板錨具預(yù)應(yīng)力荷載有了很大改善，變形量不斷減小，錨具結(jié)構(gòu)的錨固施工質(zhì)量水平日益提升，為后續(xù)的正常運行提供基礎(chǔ)。

2.2 增大截面法加固設(shè)計

2.2.1 加固設(shè)計要點

（1）結(jié)合目前所需要的加固尺寸、受力條件、加固標(biāo)準(zhǔn)等方面綜合性分析，選擇合適的加固截面尺寸，并根據(jù)要求應(yīng)用單側(cè)、雙側(cè)、三側(cè)、四周外包的加固方式。同時，根據(jù)加固要求確定鋼筋設(shè)置間距，保護層結(jié)構(gòu)的厚度都符合要求，總體截面尺寸符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

（2）對于截面尺寸增加的方法進行加固施工來說，選用C20 以上的混凝土材料，并且應(yīng)用鋼纖維混凝土施工，鋼筋、型鋼等材料檢測合格后投入使用。

（3）新澆筑的混凝土結(jié)構(gòu)厚度在4cm 以上，現(xiàn)場噴射施工加強控制，碎石材料的強度性能合格，粒徑在2cm 以內(nèi)。

（4）受力鋼筋直徑在12mm 以上，箍筋直徑在8mm 以上，按照目前橋梁施工需要，選擇應(yīng)用U 形鋼筋的結(jié)構(gòu)形式。

（5）在加固方案設(shè)計環(huán)節(jié)，原結(jié)構(gòu)部分的受力鋼筋和加固鋼筋間距不超過2cm，對于鋼筋連接方式來說，應(yīng)用焊接方法進行，保證結(jié)構(gòu)共同受力，提升結(jié)構(gòu)承載的性能。短鋼筋焊接的過程中，加強間距、焊接質(zhì)量的控制。

（6）混凝土進行整體結(jié)構(gòu)的封閉處理，保護層厚度完全滿足設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

2.2.2 加固設(shè)計理論

（1）經(jīng)過加固方式處理完成之后，橫截面的尺寸增大，組合成截面的形式，與原結(jié)構(gòu)對比分析還存在一定差異。結(jié)構(gòu)受力條件加固施工中，剪力、拉力是主要受力條件，應(yīng)及時分析各項參數(shù)，結(jié)構(gòu)承載效果合格，避免存在薄弱的結(jié)構(gòu)部分。設(shè)計過程中，應(yīng)根據(jù)要求設(shè)置錨固件，新舊結(jié)構(gòu)穩(wěn)定連接，傳力方式符合設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)。

（2）加固現(xiàn)場施工中，混凝土厚度符合標(biāo)準(zhǔn)，承載性能合格，橫隔梁的運行狀態(tài)達到標(biāo)準(zhǔn)。但是如果加固厚度不足，會造成承載性能降低，而加固厚度過大，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)自重升高，也會給性能帶來影響。因此，必須嚴(yán)格執(zhí)行加固厚度尺寸，形成整體的承載結(jié)構(gòu)。

（3）經(jīng)過對工程實際情況應(yīng)用效果進行分析，通過混凝土噴射的方法進行結(jié)構(gòu)加固處理，達到最佳工作狀態(tài)，避免因為機械鑿毛的方式而影響結(jié)構(gòu)性能，促進黏結(jié)效果的提升，加固位置受力條件也會得到很大改善[5-6]。

2.2.3 設(shè)計分析

對于此次工程項目來說，加固方式應(yīng)用增加截面法的方式，主要步驟如下：

（1）應(yīng)用建模的方式分析橋梁加固的實施方案，分析了解鋼筋和新舊混凝土的技術(shù)參數(shù)，原橋梁施工中應(yīng)用C30 材料，加固時選用C50 材料，縱筋16mm、箍筋12mm。

（2）按照目前的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進行混凝土結(jié)構(gòu)的模擬分析，對于橫隔梁完成加固作業(yè)，并且制作形成受力參數(shù)圖，滿足工程的使用需要。同時，還要對整個橋梁結(jié)構(gòu)進行荷載性能分析，施加必要的荷載來模擬計算應(yīng)力參數(shù)。經(jīng)過綜合分析，應(yīng)力性能合格，承載性能達到標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 橋梁預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)要點

2.3.1 預(yù)應(yīng)力鋼絲繩加固技術(shù)

在橋梁工程加固施工過程中，應(yīng)用預(yù)應(yīng)力鋼絲繩加固施工方式有著非常明顯的優(yōu)勢，可以完全提升橋梁加固的水平，滿足橋梁的使用需要。在該技術(shù)應(yīng)用的過程中，應(yīng)該做好如下技術(shù)要點控制：

（1）對于梁板結(jié)構(gòu)表面進行加固施工之前，需要將損壞的混凝土結(jié)構(gòu)進行全面清除，裸露出新鮮的混凝土結(jié)構(gòu)。對于銹蝕的鋼筋要進行除銹處理，使用環(huán)氧砂漿進行表面修補作業(yè)，達到平整性的要求。如果結(jié)構(gòu)裂縫寬度在0.15mm 以上，需要使用灌漿的方式進行處理，選擇優(yōu)質(zhì)的環(huán)氧灌縫膠進行施工，達到結(jié)構(gòu)性能恢復(fù)的標(biāo)準(zhǔn)。表面封閉施工時，寬度不足0.15mm 的裂縫，需要粘貼鋼板的方式進行混凝土結(jié)構(gòu)恢復(fù)，達到結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、安全性的標(biāo)準(zhǔn)。

（2）在預(yù)應(yīng)力鋼絲繩加固現(xiàn)場施工過程中，嚴(yán)格控制鋼絲繩的數(shù)量，按照綜合分析承載性能的要求進行設(shè)計。端部錨具和轉(zhuǎn)向塊的設(shè)計過程中，需要從張拉錨固施工的標(biāo)準(zhǔn)要求出發(fā)。在外側(cè)設(shè)置開口，開口要超過鋼絲繩直徑60.5mm，嚴(yán)格執(zhí)行焊接的標(biāo)準(zhǔn)要求，加強錨具的厚度控制，使結(jié)構(gòu)寬度合格，施工的長度也符合標(biāo)準(zhǔn)要求，不會影響現(xiàn)場的施工運行[7-9]。

（3）執(zhí)行設(shè)計方案的要求，對橋梁底板進行測量放線，準(zhǔn)確地標(biāo)記好端部錨具和轉(zhuǎn)向塊的施工位置。將錨座設(shè)置在梁底板的位置上，并且沿著跨度方向進行刻槽，要將錨固板完全嵌入內(nèi)部，達到兩側(cè)貼合性的效果，符合緊密性的標(biāo)準(zhǔn)。在刻槽的位置要進行打磨處理，形成粗糙的表面，并按照設(shè)計方案要求進行施工，使結(jié)構(gòu)的性能達到標(biāo)準(zhǔn)。在上述工作結(jié)束之后，要將錨固板進行粘貼，表面鑿毛處理，形成粗糙性的表面，然后進行粘貼鋼板施工，并且使用螺栓進行固定，達到鋼板穩(wěn)定性的標(biāo)準(zhǔn)。

（4）鋼絲繩在加工過程中，嚴(yán)格執(zhí)行設(shè)計方案和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，按照規(guī)定的尺寸進行下料，下料的長度通常是經(jīng)過工作應(yīng)力計算的方式確定，符合現(xiàn)場施工要求。腹板底面一般來說要設(shè)置兩層鋼絲繩結(jié)構(gòu)，每一層數(shù)量為12 根，并且在兩側(cè)各布置12 根鋼絲繩，形成整體結(jié)構(gòu)。梁底錨座安裝工作結(jié)束之后，使用相同規(guī)格的鋼絲繩進行現(xiàn)場的組織施工，并且加強拉伸量的控制，施工的精度合格。在現(xiàn)場施工過程中，使用專業(yè)的擠壓模具和機械保證擠壓作用力，符合現(xiàn)場施工的標(biāo)準(zhǔn)要求，從而使錨頭和鋼絲繩形成整體的結(jié)構(gòu)。

（5）將鋼絲繩從一側(cè)穿入錨具的開口位置上，然后在另外一側(cè)進行張拉施工，張拉施工的長度要符合錨具間隔距離的要求，達到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。在嵌入缺口部位之后，進行錨頭的擠壓處理，形成符合要求的結(jié)構(gòu)形式。現(xiàn)場張拉過程中，嚴(yán)格執(zhí)行對稱的方式進行，從中心到兩側(cè)逐步進行對稱張拉作業(yè)，防止張拉力過大而產(chǎn)生扭曲、側(cè)彎等問題。張拉過程中對于每一根鋼絲繩的張拉應(yīng)力都要進行監(jiān)督和控制，隨時關(guān)注現(xiàn)場施工情況，防止張拉過大或者過小影響施工效果。螺栓插入混凝土結(jié)構(gòu)的深度超過7.0cm，并且不會給結(jié)構(gòu)的主筋施工造成任何影響[10]。

2.3.2 加大截面加固技術(shù)

（1）為了使新舊混凝土結(jié)構(gòu)的連接效果合格，達到緊密性的標(biāo)準(zhǔn)，對原混凝土結(jié)構(gòu)缺陷部位需要進行處理，裸露出密實度新鮮的混凝土結(jié)構(gòu)，并且對施工結(jié)構(gòu)表面進行鑿毛作業(yè)，制作深度在6.0mm 左右的溝槽，并且間隔200mm 左右，不能超出箍筋的設(shè)置間距。在現(xiàn)場施工過程中，使用多面外包加固的施工方法，在加固之前需要將結(jié)構(gòu)的棱角進行清理處理。

（2）對受力鋼筋進行全面檢查，對鋼筋表面進行除銹處理，如果現(xiàn)場施工條件允許，可以在受力鋼筋焊接工作使用之前，通過卸荷或支頂?shù)拇胧┲鸶M行焊接作業(yè)，并且避免發(fā)生變形的問題，保證結(jié)構(gòu)的承載性能合格。對混凝土結(jié)構(gòu)表面進行全面的沖洗處理，將污漬和灰塵全面清理干凈，在新的混凝土結(jié)構(gòu)澆筑施工之前，需要在表面涂抹一層界面劑，使新舊混凝土結(jié)構(gòu)連接效果合格，不會影響整體的結(jié)構(gòu)性能。

（3）通過采取外包加固的施工方式，嚴(yán)格采用現(xiàn)場的管控措施，保證模板搭設(shè)、鋼筋安裝、混凝土澆筑等各個方面質(zhì)量合格，從而提高混凝土結(jié)構(gòu)的密實度和穩(wěn)定性。在混凝土澆筑工作完成之后，嚴(yán)格按照養(yǎng)護計劃進行，施工時間在14d 以上。保證結(jié)構(gòu)強度性能達標(biāo)，不會發(fā)生早期開裂的問題。

3 結(jié)語

對于公路橋梁工程來說，在投入使用后，如果結(jié)構(gòu)發(fā)生損壞問題并且越來越嚴(yán)重，對于整個橋梁的運行效果和質(zhì)量會產(chǎn)生直接影響。在這種情況下，公路橋梁管理單位應(yīng)該進行加固施工，恢復(fù)橋梁結(jié)構(gòu)的性能，滿足道路交通的使用需要。本文主要探討公路橋梁預(yù)應(yīng)力加固設(shè)計方式，提出科學(xué)合理的設(shè)計方案，并且對現(xiàn)場施工環(huán)節(jié)進行全面管控，保證加工施工效果合格。在加固設(shè)計階段，充分應(yīng)用預(yù)應(yīng)力筋加固施工技術(shù)，通過有限元分析的方式進行建模，從而保證結(jié)構(gòu)的性能合格，不會給公路橋梁的施工效果帶來任何影響。